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화재의 플래시오버 전단계에서 샌드위치패널(판넬)에 사용된 단열재의 가연성과 질량손실(2)

출처: https://www.ifv.nl/kennisplein/Documents/20170101-GiuntaAlbani-Mass-loss-and-flammability-of-insulation-materials.pdf

 

3. 실험 설정

 

 1) 테스트 설정

 

    이 연구에서는 두 가지 다른 일련의 실험 1) 질량 손실, 2) 가연성 실험을 수행했습니다. 두 실험은 모두 동일한 기본 가열로(1)를 사용했으며, 몇 가지 추가 수정이 각각 (2)절과 (3)절에 설명되어 있습니다.

 

  (1) 기본 가열로(The basic furnace) 테스트 설정

 

       아래 그림과 같이 가열로의 내부 공간은 30×30×60cm(l×w×h)이며, 가열로는 기포 가스 콘크리트 블록으로 제작됩니다. 이 블록은 가스 콘크리트 블록에 의한 열분해 가스의 흡수를 줄이고 허용 가능한 기밀성을 만들기 위해 알루미늄 호일로 덮여있습니다. 가열로의 가열은 2300W의 큰 전기 가열에 의해 수행됩니다. 이 기본 설정은 질량 손실[(2) 단원)] 및 가연성 실험[(3) 단원]에 모두 사용할 수 있습니다. 샘플의 가열은 가능한 미연소 연료에 의한 가스 구성에 미치는 영향을 최소화하기 위해 전기 가열에 의해 수행됩니다. 가스 버너는 화재 유출액의 구성에 영향을 미칩니다. 가열 요소는 20×30cm의 황동판으로 만들어지며, 800W3개의 가열 스레드가 배치됩니다. 크기로 인해, 샘플은 복사열에 동일하게 노출됩니다. 가열 요소는 샘플이 놓인 프레임의 표면 바로 아래, 가열로의 전면에 놓여진 시트 열전대에 연결됩니다. 이 위치는 샘플의 일부 위치를 막지 않고 샘플의 높이에서 온도를 결정할 수 있게합니다.

[질량 손실 실험을 위한 설정 및 가연성 실험을 위한 가열로의 기본]

 

       발열체는 자체 조정 온도조절 유형 West 6100에 부착된 이 시트 열전대에 의해 조절됩니다.

 

  (2) 질량 손실 실험

 

       질량 손실 실험은 샘플이 150, 250 350에서 노출되는 세 가지 다른 일정한 온도를 사용합니다. 150의 온도는 접착층의 열화가 약 150에서 시작되기 때문에 하한으로 선택되었으며, 상한은 350로 설정되었습니다. 이 온도는 소방관이 안전하게 노출될 수 있는 온도에 해당됩니다. 이것은 가시계수가 0.520분 동안 4.5kW/m²의 복사열 흐름에 해당합니다. 이 복사열 흐름은 호주 소방 및 비상위원회에 의해 제공됩니다.

 

       샘플은 샘플 상자에 넣습니다. 이 샘플 상자는 L-철골 50×50×5mm 및 질량 4.133kg으로 만든 29.8×29.8cm의 치수를 가지며, 가열로 측면에 장착되는 L-철골에 의해 지지됩니다. 샘플은 샘플의 측면을 통한 열전달을 방지하기 위해 세라믹 단열재로 절연됩니다. 질량 손실 실험에 대한 실제적인 상황을 만들려면 가열로의 상단 부분이 개방되어 있어야하므로, 샘플의 외부가 가열로 안 열에 노출되는 동안 주변 온도에 노출됩니다. 아래로부터 황동 요소의 복사와 위로부터 주변 온도와 결합된 뜨거운 공기층에 샘플을 노출시킴으로써 현실적인 상황을 시험하는 것이 저자의 의견입니다. 아래 그림은 가열로의 샘플 사진입니다. 또한 실험의 반복성을 검증하기 위해 실험을 3회 수행하였습니다.

 

[아래로부터 열에 노출되는 동안 질량 손실 실험 중 가열로의 샘플]

  (3) 가연성 실험

 

       가연성 실험을 위해 (1)에서와 동일한 기본 가열로(furnace) 설정이 적용됩니다. 질량 손실 실험과 달리, 가연성 실험을 위한 실험 설정은 뚜껑을 사용하여 닫혔습니다. 다른 차이점은 샘플이 가열로의 중간에 있는 통에 놓여지고, 그 질량을 가열로 위에 있는 저울에 의해 연속적으로 측정한다는 것입니다. 게다가 가연성 실험은 150~400까지 온도 상승을 사용하는 반면, 질량 손실 실험 동안 3개의 고정 온도가 적용됩니다.

 

       실험은 또한 문헌의 열중량 분석 데이터를 사용하여 가열로를 검증하는데 사용되었습니다. 실험 중 샘플 질량을 연속적으로 측정하여 얻은 결과를 TGA 데이터와 비교하였습니다. 결과는 (4)절에서 자세히 설명합니다.

 

       가연성 자체는 배기 파이프를 사용하여 가열로 외부에서 실험됩니다. 가스를 점화하는 세 가지 다른 방법, 즉 압전 소자, 일반 라이터 및 라이터가 있는 유리병이 적용되었습니다. 유리병 방법은 유리병을 사용하여 배기가스에서 나오는 가스 혼합물을 포착하고, 가스 혼합물은 일반 라이터로 점화됩니다.

 

       가연성 한계(τ)는 존재하는 총 가스 질량(공기 흐름, mt)에 대한 열분해 가스 질량의(mp) 질량 기준 비율입니다.

τ = mp / mt (1)

 

       열분해 가스의 질량은 샘플의 측정된 질량 손실에 기초하여 계산됩니다. 공기의 질량 흐름은 직접 측정할 수 없기 때문에, 이상적인 가스 법칙을 사용하여 계산됩니다. 이 추정은 배기가스의 용량이 질량 흐름에 대처할 만큼 충분히 높다고 가정할 때, 가열로의 압력은 배기가스로 인한 외부 압력과 동일하게 유지됩니다. 일부 예비 계산이 수행되었는데, 이것은 배기 용량이 충분함을 나타냅니다. 등압 공정에 이상적인 가스법칙을 사용하여 부피 변화는 ΔV 부피 변화(m3), V1 오븐 부피 변화(m3), T1 온도시간 단계 1(K) T2 온도시간 단계 2(K2)와 동일합니다.

ΔV = (V1 · T2/T1) – V1 (2)

 

       다음 단계는 공기 밀도를 사용하여 부피 증가를 공기 질량으로 변환하는 것입니다. 공기 밀도는 온도에 따라 달라지며 ρ는 공기 밀도 kg/m³, pPa에서 대기압, TKelvin에서 온도입니다.

 

ρ = 3.46 · 10³(p/T) (3)

 

       식 (2)(3)의 조합은 공기의 질량 흐름을 초래합니다.

 

 2) 재료

 

     실험된 재료는 폴리우레탄(PUR), 폴리이소시아누레이트(PIR), 발포폴리스티렌(EPS), 압출폴리스티렌(XPS) 및 암면입니다. 폴리우레탄(PUR), 폴리이소시아누레이트(PIR) 및 암면에 대한 실험은 심재 재료(가연성 실험) 및 샌드위치패널(판넬) 샘플(질량 손실 실험) 모두에서 실행됩니다. 발포폴리스티렌(EPS), 압출폴리스티렌(XPS)에 대한 실험은 샌드위치패널(판넬)에 대한 적용이 네덜란드에서 제한되기 때문에 심재에 대해서만 수행되었습니다. 또한 발포폴리스티렌(EPS), 압출폴리스티렌(XPS)150의 온도에서 녹는 특성으로 인해 EPS 샌드위치패널(판넬)에서는 가열로를 오염시키기 때문에 실험을 할 수 없었습니다.

 

     그럼에도 불구하고, EPS XPS에 대한 가연성 실험은 두 재료가 모두 건물에 광범위하게 적용되기 때문에 여전히 관련이 있습니다. 시장 수치에 따르면 EPS2015년 네덜란드 평판 지붕 시장의 35%를 점유하고 있습니다. 이로 인해 EPS는 네덜란드 평 지붕에서 두 번째로 많이 사용되는 단열재입니다. PUR/PIR45%를 차지하고 미네랄울은 16%를 차지합니다. 나머지 4%는 다른 재료를 사용합니다. 시험된 샘플의 특성은 아래 표와 같습니다.

 

[이 연구에 사용된 다양한 단열재의 물리적 특성]

 

       질량손실 실험 동안 시험된 샘플은 25×25cm이고, 그 중 20×20의 면적이 열원에 노출되었습니다. 샌드위치패널(판넬) 샘플은 두 가지 다른 유형으로 즉, 조인트[길이 방향: 그림(a)]와 조인트가 없는 샘플[그림(b)]이 있습니다. 아래 그림은 조인트가 있는 샘플과 조인트가 없는 샘플의 절단면을 보여줍니다. 조인트가 질량 손실에 영향을 줄 수 있으며, 따라서 화재 유출물의 가연성에 영향을 줄 수 있기 때문에 조인트가 관련될 수 있습니다.

 

       가연성 실험 동안 시험된 샘플은 10×10cm였고, 샘플의 높이는 샌드위치패널(판넬) 내의 심재의 높이와 동일하였습니다. 이 샘플은 샌드위치패널(판넬)의 금속면이 있거나 없는 상태에서 시험됩니다.

[조인트가 있고(a), 조인트가 없는(b) 샌드위치패널(판넬)의 예]